Способы разделения примесей. Разделение смесей. Очистка веществ. Фильтрование. Чистые вещества и смеси

Реферат по дисциплине: Химия

На тему: Способы разделения смесей

Рига – 2009г.

Введение…………………………………………………………………………..стр.3

Виды смесей………………………………………………………………………стр.4

Способы разделения смесей……………………………………………………..стр.6

Заключение……………………………………………………………………….стр.11

Список использованной литературы…………………………………………....стр.12

Введение

В природе вещества в чистом виде встречаются очень редко. Большинство окружающих нас предметов состоит из смеси веществ. В химической лаборатории химики работают с чистыми веществами. Если же вещество содержит примеси, то любой химик умеет отделить нужное для эксперимента вещество от примесей. Для изучения свойств веществ, необходимо это вещество очистить, т.е. разделить на составные части. Разделение смеси – это физический процесс. Физические методы разделения веществ широко используются в химических лабораториях, при получении пищевых продуктов, в производстве металлов и других веществ.

Виды смесей

В природе нет чистых веществ. При рассмотрении валунов, гранита, убеждаемся, что они состоят из зерен, прожилок различного цвета; в состав молока входят жиры, белковые вещества, вода; нефть и природный газ содержат органические вещества, которые называют углеводородами; в составе воздуха есть различные газы; природная вода не является химически чистым веществом. Смесь – смешение двух или более разнородных веществ.

Смеси можно разделить на две большие группы (ри

Если компоненты смеси видны невооружённым глазом, то такие смеси называют неоднородными. Например, смесь древесных и железных опилок, смесь воды и растительного масла, смесь речного песка и воды и др.

Если компоненты смеси нельзя различить невооружённым глазом, то такие смеси называют однородными . Такие смеси как молоко, нефть, раствор сахара в воде и др. относят к однородным смесям.

Есть твердые, жидкие, газообразные вещества. Вещества можно смешивать в любом агрегатном состоянии. Агрегатное состояние смеси определяет вещество, количественно превосходящее остальные.

Неоднородные смеси образуются из веществ различного агрегатного состояния, когда вещества взаимно не растворяются и плохо смешиваются (табл.1)

Однородные смеси образуются, когда вещества хорошо растворяются друг в друге и хорошо смешиваются (табл.2).

При образовании смесей химических превращений обычно не происходит, и вещества в смеси сохраняют свои свойства. Различия в свойствах веществ используют для разделения смесей.

Способы разделения смесей

Смеси как неоднородные, так и однородные, можно разделить на составные части, т.е. на чистые вещества. Чистыми называют вещества, которые с помощью физических методов не разделяются на два или более других веществ и не изменяют своих физических свойств. Существуют различные способы разделения смесей, те или иные способы разделения смесей применяют в зависимости от состава смеси.

1. Просеивание;
2. Фильтрование;
3. Отстаивание;
4. Декантация
5. Центрифугирование;
6. Выпаривание;
7. Упаривание;
8. Перекристаллизация;
9. Дистилляция (перегонка);
10. Вымораживание;
11. Действие магнита;
12. Хроматография;
13. Экстрагирование;
14. Адсорбция.

Познакомимся с несколькими из них. Здесь нужно отметить, что неоднородные смеси разделить проще, чем однородные Ниже приведем примеры выделения веществ из однородных и неоднородных смесей.

Просеивание.

Представим, что в муку попал сахарный песок. Пожалуй, самый простой способ разделения – это просеивание . С помощью сита можно без труда отделить мелкие частицы муки от сравнительно крупных кристалликов сахара. В сельском хозяйстве просеивание используется для отделения семян растений от постороннего мусора. В строительстве так отделяют гравий от песка.

Фильтрование

Твердую составляющую суспензию от жидкой отделяют фильтрованием, используя бумажные или тканевые фильтры, вату, тонкий слой мелкого песка. Представим, что дана смесь поваренной соли, песка и глины. Требуется отделить поваренную соль из смеси. Для этого смесь помещаем в химический стакан с водой и взбалтываем. Поваренная соль растворяется, а песок оседает. Глина не растворяется и не оседает на дно стакана, поэтому вода остается мутной. Чтобы удалить нерастворимые частицы глины из раствора, смесь фильтруют. Для этого необходимо собрать маленький прибор для фильтрования из стеклянной воронки, фильтровальной бумаги и штатива. Раствор соли отфильтровывается. Для этого фильтруемый раствор осторожно переливается в воронку с плотно вставленным фильтром. На фильтре остаются песок и частицы глины, а прозрачный раствор соли проходит через фильтр. Чтобы выделить растворенную в воде поваренную соль, применяют способ перекристаллизации.

Перекристаллизация, выпаривание

Перекристаллизацией называется способ очистки, при котором вначале вещество растворяют в воде, затем раствор вещества в воде выпаривается. В результате вода выпаривается, а вещество выделяется в виде кристаллов.
Приведем пример: Требуется выделить поваренную соль из раствора.
Выше мы рассмотрели пример, когда нужно было выделить поваренную соль из неоднородной смеси. Теперь выделим поваренную соль из однородной смеси. Раствор, полученный фильтрованием, называется фильтрат. Фильтрат нужно перелить в фарфоровую чашку. Чашку с раствором поместить на кольцо штатива и нагреть раствор над пламенем спиртовки. Вода начнет испаряться, а объем раствора уменьшится. Такой процесс называется выпариванием. По мере выпаривания воды раствор становиться более концентрированным. Когда раствор дойдет до состояния насыщения поваренной солью, на стенках чашки появятся кристаллы. В этот момент прекратить нагревание и охладить раствор. Охлажденная поваренная соль выделиться в виде кристаллов. При необходимости можно кристаллы соли отделить от раствора фильтрованием. Раствор нельзя выпаривать до полного испарения воды, так как другие растворимые примеси также могут выпасть в осадок в виде кристаллов и загрязнить поваренную соль.

Отстаивание, декантация

Для выделения из жидкостей нерастворимых веществ используется отстаивание . Если частички твердого вещества достаточно крупные, они быстро оседают на дно, и жидкость становится прозрачной. Ее можно осторожно слить с осадка, и эта нехитрая операция тоже имеет свое название – декантация . Чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь. Можно отделить друг от друга и две жидкости, которые не смешиваются между собой.

Центрифугирование

Если частички неоднородной смеси очень малы, ее невозможно разделить ни отстаиванием, ни фильтрованием. Примерами таких смесей могут служить молоко и взмученная в воде зубная паста. Такие смеси разделяют центрифугированием . Смеси, содержащие такую жидкость, помещают в пробирки и вращают с огромной скоростью в специальных аппаратах – центрифугах. В результате центрифугирования более тяжелые частички «придавливаются» ко дну сосуда, а легкие оказываются сверху. Молоко представляет собой мельчайшие частички жира, распределенные в водном растворе других веществ – сахаров, белков. Для разделения такой смеси применяют специальную центрифугу, называемую сепаратором. При сепарации молока жиры оказываются на поверхности, их легко отделить. Остается вода с растворенными в ней веществами – это обезжиренное молоко.

Адсорбация

В технике часто возникает задача очистки газов, например воздуха, от нежелательных или вредных компонентов. Многие вещества обладают одним интересным свойством – они могут «прицепиться» к поверхности пористых веществ, как железо к магниту. Адсорбцией называется способность некоторых твердых веществ поглощать своей поверхностью газообразные или растворенные вещества. Вещества, способные к адсорбции, называются адсорбентами. Адсорбенты представляют собой твердые вещества, в которых много внутренних каналов, пустот, пор, т.е. они имеют очень большую общую поглощающую поверхность. Адсорбентами являются активированный уголь, силикагель (в коробке с новой обувью можно найти небольшой пакетик с белыми горошинами – это и есть силикагель), фильтровальная бумага. Различные вещества «прицепляются» к поверхности адсорбентов неодинаково: одни удерживаются на поверхности прочно, другие – слабее. Активированный уголь способен поглощать не только газообразные, но и растворенные в жидкостях вещества. При отравлениях его принимают для того, чтобы на нем адсорбировались ядовитые вещества.

Дистилляция (перегонка)

Две жидкости, которые образуют однородную смесь, например, этиловый спирт с водой, разделяют методом дистилляции или перегонки. Этот метод основан на том, что жидкость нагревают до температуры кипения и пар ее отводят по газоотводной трубке в другой сосуд. Охлаждаясь, пар конденсируется, а примеси остаются в перегонной колбе. Прибор для перегонки показан на рис.2

Жидкость помещают в колбу Вюрца (1), горло колбы Вюрца плотно закрывают пробкой с вставленным в нее термометром (2), при этом резервуар с ртутью должен быть на уровне отверстия отводной трубки. Конец отводной трубки через плотно подогнанную пробку вставляют в холодильник Либиха (3), на другом конце которого укрепляют аллонж (4). Суженный конец аллонжа опускают в приемник(5). Нижний конец рубашки холодильника подсоединяют с помощью резинового шланга к водопроводному крану, а от верхнего конца делают отвод в раковину для слива. Рубашка холодильника всегда должна быть заполнена водой. Колбу Вюрца и холодильник закрепляют в отдельных штативах. Жидкость в колбу наливают через воронку с длинной трубкой, заполняя перегонную колбу на 2/3 ее объема. Для равномерного кипения помещают на дно колбы несколько кипелок - стеклянных капилляров, запаянных с одного конца. Закрыв колбу, подают воду в холодильник и нагревают жидкость в колбе. Нагрев можно вести на газовой горелке, электрической плитке, водяной, песочной или масляной бане - в зависимости от температуры кипения жидкости. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости (спирт, эфир, ацетон и т. д.) ни в коем случае нельзя нагревать на открытом огне во избежание несчастных случаев: следует пользоваться только водяной или другой баней. Не следует выпаривать жидкость полностью: 10-15% от первоначально взятого объема ее должно оставаться в колбе. Новую порцию жидкости можно наливать лишь тогда, когда колба немного остынет.

Вымораживание

Вещества, у которых различаются температуры плавления, разделяют методом вымораживания, охлаждая раствор. Путем вымораживания можно получить очень чистую воду в домашних условиях. Для этого наливают водопроводную воду в банку или кружку и ставят ее в морозильную камеру холодильника (или выносят зимой на мороз). Как только в лед превратится примерно половина воды, незамерзшую часть ее, где скапливаются примеси, надо вылить, а льду дать растаять.

В промышленности и в лабораторных условиях используют методы разделения смесей, основанные и на других отличающихся свойствах составных частей смеси. К примеру, железные опилки можно выделить из смеси магнитом . Способность веществ растворяться в различных растворителях используют при экстрагировании – методе разделения твердых или жидких смесей при помощи обработки их различными растворителями. Например, йод из водного раствора можно выделить каким-либо органическим растворителем, в котором йод растворяется лучше.

Заключение

В лабораторной практике и в повседневной жизни очень часто приходится выделять из смеси веществ отдельные компоненты. Отметим, что смеси включают в себя два или более веществ, делятся на две большие группы: однородные и неоднородные. Существуют различные способы разделения смесей, такие как, фильтрование, выпаривание, дистилляция (перегонка) и другие. Способы разделения смесей, в основном, зависят от вида, состава смеси.

Список использованной литературы

1. S.Ozols, E.Lepiņš химия для основной школы., 1996. С. 289

2. Информация из интернета

1. Заполните пропуски в тексте, используя слова "компоненты", "различиях", "двух", "физических".

Смесь может быть приготовлена путем смешивания как минимум двух веществ. Смеси могут быть разделены на отдельные компоненты с помощью физических методов, основанных на различиях физических свойствах компонентов.

2. Допишите предложения.

а) Метод отстаивания основан на том, что частички твердого вещества достаточно крупныеЮ они быстро оседают на дно, а жидкость можно осторожно слить с осадка.

б) Метод центрифугирования основан на действиии центробежной силы - более тяжелые частички оседают, а легкие оказываются сверху.

в) Метод фильтрования основан на пропускании раствора твердого вещества через фильтр, где твердые частицы задерживаются на фильтре.

3. Вставьте пропущенное слово:

а) мука и сахарный песок - сито; сера и железные опилки - магнит .

б) вода и подсолнечное масло - делительная воронка; вода и речной песок - фильтр .

в) воздух и пыль - респиратор; воздух и ядовитый газ - абсорбент .

4. Составьте перечень необходимого оборудования для фильтрования.

а) бумажный фильтр
б) стакан с раствором
в) стеклянная воронка
г) чистый стакан
д) стеклянная палочка
е) штатив с лапкой

5. Лабораторный опыт. Изготовление обычного и складчатого фильтров из фильтровальной бумаги или бумажной салфетки.

Как вы считаете, через какой фильтр раствор будет проходить быстрее - обычный или складчатый? Почему?

Через складчатый - площадь соприкосновения фильтрования больше, чем у обычного фильтра.

6. Предложите способы разделения смесей, указанных в таблице 16.

Способы разделения некоторых смесей

7. Домашний опыт. Адсорбация активированным углем красящих веществ пепси-колы.

Реактивы и оборудование: газированный напиток, активированный уголь; кастрюля, воронка, фильтровальная бумага, электрическая (газовая) плита.

Ход работы. Налейте в кастрюлю полстакана (100 мл) газированного напитка. Добавьте туда же 5 таблеток активированного угля. Нагревайте кастрюлю в течение 10 мин на плите. Отфильтруйте уголь. Объясните результаты опыта.

Раствор обесцветился з счет поглощения красящих веществ с помощью активированного угля.

8. Домашний опыт. Адсорбация кукурузными палочками паров пахучих веществ.

Реактивы и оборудование : кукурузные палочки, духи или одеколон; 2 одинаковые стеклянные банки с крышками.

Ход работы. В две стеклянные банки капните по капле духов. В одну из банок положите 4-5 кукурузных палочек. Обе банки закройте крышками. Банку, в которой находятся кукурузные палочки, немного потрясите. Для чего?

Для увеличения скорости адсорбации.

Откройте обе банки. Объясните результаты опыта.

В банке, где были кукурузные палочки, нет запаха, так как она адсорбировали запах духов.

Для того чтобы установить свойства вещества, нужно иметь его в чистом виде, но в чистом виде вещества в природе не встречаются. Каждое вещество всегда содержит определенное количество примесей. Вещество, в котором почти нет примесей, называют чистым. С такими веществами работают в научной лаборатории, школьном химическом кабинете. Заметим, что абсолютно чистых веществ не существует.

Смесями являются почти все природные вещества, продукты питания (кроме соли, сахара, некоторых других), строительные материалы, товары бытовой химии, многие лекарственные и косметические средства.

Природные вещества представляют смеси, состоящие иногда из очень большого числа различных веществ. Так, например, природная вода всегда содержит растворенные в ней соли и газы. Иногда очень малое содержание примеси может привести к очень сильному изменению некоторых свойств вещества. Например, содержание в цинке лишь сотых долей железа или меди ускоряет его взаимодействие с соляной кислотой в сотни раз. Когда одно из веществ находится в смеси в преобладающем количестве, вся смесь обычно носит его название.

• 
  Компонент – это каждое вещество, содержащееся в смеси.

Однородные смеси.

Добавим небольшую порцию сахара в стакан с водой и будем перемешивать, пока весь сахар не растворится. Жидкость будет иметь сладкий вкус. Таким образом, сахар не исчез, а остался в смеси. Но его кристалликов мы не увидим, даже рассматривая каплю жидкости в мощный микроскоп.

Рис. 3. Однородная смесь (водный раствор сахара)

Приготовленная смесь сахара и воды является однородной (рис. 3); в ней равномерно перемешаны мельчайшие частицы этих веществ.

• 
  Смеси, в которых компоненты невозможно обнаружить вооруженным глазом называют однородными.

Вода в смеси с песком, мелом или глиной замерзает при температуре О 0 C и закипает при 100 0 С.

Некоторые виды неоднородных смесей имеют специальные названия: пена (например, пенопласт, мыльная пена), суспензия (смесь воды с небольшим количеством муки), эмульсия (молоко, хорошо взболтанные растительное масло с водой), аэрозоль (дым, туман).

Рис. 5. Неоднородные смеси:
а - смесь воды и серы;
б - смесь растительного масла и воды;
в - смесь воздуха и воды

Существуют разные способы разделения смесей. На выбор способа разделения смеси влияют свойства веществ, образующих данную смесь.

Рассмотрим подробнее каждый метод:

• 
  Отстаивание - распространённый способ очистки или жидкостей от нерастворимых в воде механических примесей, или жидких веществ, нерастворимых друг в друге, имеющих разную плотность.

Отстаивание используют при подготовке воды для технологических и бытовых нужд, обработке канализационных стоков, обезвоживании и обессоливании сырой нефти, во многих процессах химической технологии. Оно является важным этапом в естественном самоочищении природных и искусственных водоёмов.

• 
  Фильтрование – отделение жидкости от твёрдых нерастворимых в ней примесей; молекулы жидкости проходят через поры фильтра, а крупные частицы примесей задерживаются.

Представьте, что перед вами смесь речного песка и воды. Определите тип смеси. (неоднородная ). Сравните физические свойства речного песка и воды. (Это вещества, нерастворимые друг в друге, имеющие разную плотность). Предложите способ разделения данной смеси (фильтрования ).

• 
  Действие магнитом – это способ разделения неоднородных смесей, когда одно из веществ смеси способно притягиваться магнитом

• 
  Выпаривание – это способ разделения однородных смесей , при этом происходит выделение твердого растворимого вещества из раствора, при нагревании вода испаряется, а кристаллы твёрдого вещества остаются.

• 
  Дистилляция (латинского означает «стекание каплями») – это способ разделения однородных смесей, при этом происходит разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Осуществляется путем частичного испарения жидкости с последующей конденсацией пара . Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) веществами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) обогащена относительно менее летучими (высококипящими) веществами.

В лаборатории перегонку осуществляют на специальной установке (рис. 6). При нагревании смеси жидкостей сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Его пар выходит из сосуда, охлаждается, конденсируется1, и образовавшаяся жидкость стекает в приемник. Когда этого вещества уже не будет в смеси, температура начнет повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент. Нелетучие жидкости остаются в сосуде.

Рис. 6. Лабораторная установка для перегонки: а - обычная; б - упрощенная
1 - смесь жидкостей с разными температурами кипения;
2 - термометр;
3 - водяной холодильник;
4 - приемник

Рассмотрим, как используют некоторые методы разделения смесей.

Процесс фильтрования лежит в основе работы респиратора - устройства, которое защищает легкие человека, работающего в сильно запыленном помещении. В респираторе имеются фильтры, препятствующие попаданию пыли в легкие (рис. 7). Простейший респиратор - повязка из нескольких слоев марли. Фильтр, извлекающий пыль из воздуха, есть и в пылесосе.

Рис. 7. Рабочий в распираторе

Сделайте вывод, какими методами можно разделить смесь растворимого и нерастворимого в воде веществ.

Теоретический блок.

Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем : «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества

Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.

Классификация смесей показана в таблице:

Приведём примеры суспензий (речной песок + вода), эмульсий (растительное масло + вода) и растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий + медь или никель + медь).

Способы разделения смесей

В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей

Выпаривание - выделение растворенных в жидкости твердых веществ способом ее превращения в пар.

Дистилляция- перегонка, разделение содержащихся в жидких смесях веществ по температурам кипения с последующим охлаждением пара.

В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, а способ ее получения – дистилляцией.

Фильтрование- процеживание жидкостей (газов) через фильтр с целью их очистки от твердых примесей.

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей .

Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография .

С помощью хроматографии русский ботаник впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?

Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности.

Способы выражения состава смесей.

· Массовая доля компонента в смеси - отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.

ω [«омега»] = mкомпонента / mсмеси

· Мольная доля компонента в смеси - отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества А, В и С, то:

χ [«хи»] компонента А = nкомпонента А / (n(A) + n(B) + n(С))

· Мольное соотношение компонентов. Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:

nкомпонента А: nкомпонента В = 2: 3

· Объёмная доля компонента в смеси (только для газов) - отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.

φ [«фи»] = Vкомпонента / Vсмеси

Практический блок.

Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:

Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н. у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.

Решение примера 1.

n = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.

2. По уравнению реакции:

3. Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:
mFe = 0,25 56 = 14 г.

Ответ: 70% железа, 30% меди.

Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н. у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за х - число моль одного из металлов, а за у - количество вещества второго.

Решение примера 2.

1. Находим количество водорода:
n = V / Vm = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.

2. Пусть количество алюминия - х моль, а железа у моль. Тогда можно выразить через х и у количество выделившегося водорода:

4. Нам известно общее количество водорода: 0,4 моль. Значит,
1,5х + у = 0,4 (это первое уравнение в системе).

5. Для смеси металлов нужно выразить массы через количества веществ.
m = M n
Значит, масса алюминия
mAl = 27x,
масса железа
mFe = 56у,
а масса всей смеси
27х + 56у = 11 (это второе уравнение в системе).

6. Итак, мы имеем систему из двух уравнений:

7. Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
27х + 18у = 7,2
и вычитая первое уравнение из второго:

8. (56 − 18)у = 11 − 7,2
у = 3,8 / 38 = 0,1 моль (Fe)
х = 0,2 моль (Al)

mFe = n M = 0,1 56 = 5,6 г
mAl = 0,2 27 = 5,4 г
ωFe = mFe / mсмеси = 5,6 / 11 = 0,50,91%),

соответственно,
ωAl = 100% − 50,91% = 49,09%

Ответ: 50,91% железа, 49,09% алюминия.

Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н. у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.

В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г - это масса меди. Количества остальных двух металлов - цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.

Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.

Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н. у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.

В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).
Со щелочью реагирует только алюминий - амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи - ещё можно растворить бериллий).

Решение примера 4.

1. С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа:
nSO2 = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль

2. (не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)

3. Так как мольное соотношение меди и сернистого газа 1:1, то меди тоже 0,25 моль. Можно найти массу меди:
mCu = n M = 0,25 64 = 16 г.

4. В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2

5. Число моль водорода:
nH2 = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль,
мольное соотношение алюминия и водорода 2:3 и, следовательно,
nAl = 0,15 / 1,5 = 0,1 моль.
Масса алюминия:
mAl = n M = 0,1 27= 2,7 г

6. Остаток - это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси:
mсмеси = 16 + 2,7 + 3 = 21,7 г.

7. Массовые доли металлов:

ωCu = mCu / mсмеси = 16 / 21,7 = 0,7,73%)
ωAl = 2,7 / 21,7 = 0,1,44%)
ωFe = 13,83%

Ответ: 73,73% меди, 12,44% алюминия, 13,83% железа.

Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н. у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)

В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота - «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это - азот. Оба металла растворились в кислоте.
В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.

Решение примера 5.

1. Определяем количество вещества газа:
nN2 = V / Vm = 2,912 / 22,4 = 0,13 моль.

2. Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной HNO3:

mраствора = ρ V = 1,115 565 = 630,3 г
mHNO3 = ω mраствора = 0,2 630,3 = 126,06 г
nHNO3 = m / M = 126,06 / 63 = 2 моль

Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит - кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке , и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.

3. Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс ) и, для удобства расчетов, принимаем за 5х - количество цинка, а за 10у - количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится х моль, а во второй - 3у моль:

5. Тогда, учитывая, что масса смеси металлов 21,1 г, их молярные массы - 65 г/моль у цинка и 27 г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:

6. Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.

7. х = 0,04, значит, nZn = 0,04 5 = 0,2 моль
у = 0,03, значит, nAl = 0,03 10 = 0,3 моль

8. Проверим массу смеси:
0,2 65 + 0,3 27 = 21,1 г.

9. Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):

10. Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?
По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию:
nHNO3 = 0,48 + 1,08 = 1,56 моль,
т. е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:
nHNO3ост. = 2 − 1,56 = 0,44 моль.

11. Итак, в итоговом растворе содержатся:

нитрат цинка в количестве 0,2 моль:
mZn(NO3)2 = n M = 0,2 189 = 37,8 г
нитрат алюминия в количестве 0,3 моль:
mAl(NO3)3 = n M = 0,3 213 = 63,9 г
избыток азотной кислоты в количестве 0,44 моль:
mHNO3ост. = n M = 0,44 63 = 27,72 г

12. Какова масса итогового раствора?
Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):

13.
Тогда для нашей задачи:

14. mнов. раствора = масса раствора кислоты + масса сплава металлов - масса азота
mN2 = n M = 28 (0,03 + 0,09) = 3,36 г
mнов. раствора = 630,3 + 21,1 − 3,36 = 648,04 г

ωZn(NO3)2 = mв-ва / mр-ра = 37,8 / 648,04 = 0,0583
ωAl(NO3)3 = mв-ва / mр-ра = 63,9 / 648,04 = 0,0986
ωHNO3ост. = mв-ва / mр-ра = 27,72 / 648,04 = 0,0428

Ответ: 5,83% нитрата цинка, 9,86% нитрата алюминия, 4,28% азотной кислоты.

Пример 6. При обработке 17,4 г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось 4,48 л газа (н. у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты - 8,96 л газа (н. у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)

При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт NO2, а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.

Ответ к примеру 6: 36,8% меди, 32,2% железа, 31% алюминия.

Задачи для самостоятельного решения.

1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.

1-1. Смесь меди и алюминия массой 20 г обработали 96 %-ным раствором азотной кислоты, при этом выделилось 8,96 л газа (н. у.). Определить массовую долю алюминия в смеси.

1-2. Смесь меди и цинка массой 10 г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделилось 2,24 л газа (н. y.). Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.

1-3. Смесь магния и оксида магния массой 6,4 г обработали достаточным количеством разбавленной серной кислоты. При этом выделилось 2,24 л газа (н. у.). Найти массовую долю магния в смеси.

1-4. Смесь цинка и оксида цинка массой 3,08 г растворили в разбавленной серной кислоте. Получили сульфат цинка массой 6,44 г. Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.

1-5. При действии смеси порошков железа и цинка массой 9,3 г на избыток раствора хлорида меди (II) образовалось 9,6 г меди. Определите состав исходной смеси.

1-6. Какая масса 20%-ного раствора соляной кислоты потребуется для полного растворения 20 г смеси цинка с оксидом цинка, если при этом выделился водород объемом 4,48 л (н. у.)?

1-7. При растворении в разбавленной азотной кислоте 3,04 г смеси железа и меди выделяется оксид азота (II) объемом 0,896 л (н. у.). Определите состав исходной смеси.

1-8. При растворении 1,11 г смеси железных и алюминиевых опилок в 16%-ном растворе соляной кислоты (ρ = 1,09 г/мл) выделилось 0,672 л водорода (н. у.). Найдите массовые доли металлов в смеси и определите объем израсходованной соляной кислоты.

2. Задачи более сложные.

2-1. Смесь кальция и алюминия массой 18,8 г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось 11,2 л газа (н. у.). Определите массовые доли металлов в смеси.

2-2. Для растворения 1,26 г сплава магния с алюминием использовано 35 мл 19,6%-ного раствора серной кислоты (ρ = 1,1 г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с 28,6 мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией 1,4 моль/л. Определите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (н. у.), выделившегося при растворения сплава.

Методы разделения смесей

Гетерогенные смеси типов газ-жидкость, жидкость-твёрдое, газ-твёрдое неустойчивы во времени под действием силы тяжести. В таких смесях составные компоненты с меньшей плотностью постепенно поднимаются вверх (всплывают), а с большей — опускаются вниз (оседают). Такой процесс самопроизвольного разделения смесей с течением времени называют отстаиванием . Так, например, смесь мелкого песка и воды довольно быстро самопроизвольно делится на две части:

Для ускорения процесса осаждения вещества с большей плотностью из жидкости в лабораторных условиях чаще прибегают к более продвинутой версии метода отстаивания — центрифугированию . Роль силы тяжести в центрифугах играет центробежная сила, всегда возникающая при вращении. Поскольку центробежная сила напрямую зависит от скорости вращения, ее можно делать многократно больше силы тяжести, просто увеличивая число оборотов центрифуги в единицу времени. Благодаря этому достигается намного более быстрое по сравнению с отстаиванием разделение смеси.

После отстаивания или центрифугирования надосадочную жидкость можно отделить от осадка методом декантации — аккуратным сливанием жидкости с осадка.

Разделить смесь двух нерастворимых друг в друге жидкостей (после ее отстаивания) можно с помощью делительной воронки, принцип действия которой понятен из следующей иллюстрации:

Для разделения смесей веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, помимо отстаивания и центрифугирования также широко используют фильтрование. Метод заключается в том, что фильтр обладает различной пропускной способностью по отношению к компонентам смеси. Чаще всего это связано с различным размером частиц, но также может быть еще обусловлено тем, что отдельные компоненты смеси сильнее взаимодействуют с поверхностью фильтра (адсорбируются им).

Так, например, взвесь твердого нерастворимого порошка с водой можно разделить, используя пористый бумажный фильтр. Твердое вещество остается на фильтре, а вода проходит через него и собирается в в емкости, расположенной под ним:

В некоторых случаях гетерогенные смеси могут быть разделены благодаря разным магнитным свойствам компонентов. Так, например, смесь порошков серы и металлического железа можно разделить с помощью магнита. Частицы железа в отличие от частиц серы притягиваются и удерживаются магнитом:

Разделение компонентов смеси с применением магнитного поля называют магнитной сепарацией .

Если смесь представляет собой раствор тугоплавкого твердого вещества в какой-либо жидкости, выделить это вещество из жидкости можно выпариванием раствора:

Для разделения жидких гомогенных смесей используют метод, называемый дистилляцией, или перегонкой . Данный способ имеет принцип действия, схожий с выпариванием, но позволяет отделять не только летучие компоненты от нелетучих, но также и вещества с относительно близкими температурами кипения. Один из простейших вариантов дистилляционных аппаратов представлен на рисунке ниже:

Смысл процесса дистилляции заключается в том, что при кипении смеси жидкостей первыми улетучиваются пары более легкокипящего компонента. Пары этого вещества после прохождения через холодильник конденсируются и стекают в приемник. Метод дистилляции широко применяется в нефтяной промышленности при первичной переработке нефти для разделения нефти на фракции (бензин, керосин, дизель и т.д.).

Так же методом дистилляции получают очищенную от примесей (прежде всего солей) воду. Воду, прошедшую очистку дистилляцией, называют дистиллированной водой .